Báo cáo tốt nghiệp: Mạng cảm nhận không dây (WSN) đặc điểm cấu hình và thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường (MAC)

Chia sẻ: Abcdef_6 Abcdef_6 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:73

Thêm vào BST

Báo xấu

274
lượt xem 92
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mạng LAN không dây là mạng trong đó các trạm được kết nối với nhau bằng sóng radio hoặc hồng ngoại. WLAN hoạt động trên cơ sở tiêu chuẩn của IEEE 802.11 trong dải tần ISM. WLAN sử dụng sóng radio với các tín hiệu được điều chế theo kỹ thuật trải phổ. Hoạt động của WLAN bao gồm 2 quá trình: Kiểm tra lớp vật lý (PHY) và điều khiển thâm nhập môi trường MAC, hoạt động trong giao thức CSMA/CA. Mạng WLAN cung cấp 2 chế độ cấu hình là Ad-hoc và Infrastructure, hỗ trợ đơn ô và...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo tốt nghiệp: Mạng cảm nhận không dây (WSN) đặc điểm cấu hình và thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường (MAC)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Quang Hưng Mạng cảm nhận không dây (WSN) đặc điểm cấu hình và thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường (MAC) KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Đ iện tử - V iễn thông HÀ NỘI - 2008
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Quang Hưng Mạng cảm nhận không dây (WSN) đặc điểm cấu hình và thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường (MAC) KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - V iễn thông Cán bộ hướng dẫn: P GS-TS V ương Đạo V y Cán bộ đồng hướng dẫn: HÀ NỘI - 2008
TÓM TẮT NỘI DUNG Mạng LAN không d ây là m ạng trong đó các trạm được kết nối với nhau bằng sóng radio hoặc hồng ngo ại. WLAN ho ạt động trên cơ sở tiêu chu ẩn của IEEE 802.11 trong dải tần ISM. WLAN sử dụng sóng radio với các tín h iệu được đ iều ch ế theo kỹ thu ật trải phổ. Hoạt động của WLAN bao gồm 2 quá trình: Kiểm tra lớp vật lý (PHY) và đ iều khiển thâm nhập môi trường MAC, hoạt động trong giao thức CSMA/CA. Mạng WLAN cung cấp 2 chế độ cấu hình là Ad -hoc và Infrastructure, hỗ trợ đơn ô và đa ô với tính năng di động. Mạng cảm nhận không dây WSN cũng là mạng hoạt động với nhau nhờ sóng radio. Nhưng trong đ ó, mỗi node mạng bao gồm đầy đ ủ các chức n ăng để cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Cấu hình cho m ạng WSN cũng tương tự như WLAN nhưng phức tạp hơn WLAN vì số lư ợng các node cũng nh ư ph ạm vi hoạt động là kh á lớn. Các dạng cấu hình trong m ạng WSN còn phải đáp ứng được các hàm kết nối của từng dạng để đảm bảo mạng hoạt động. Thủ tục điều khiển thâm nh ập môi trường trong WSN cũng có phần giống với WLAN tuy nhiên do yêu cầu về tiết kiệm năng lượng tối đa của các n ode, WSN đưa ra các giải pháp để giải quyết việc tiết kiệm năng lượng b ằng các ch ế độ lập lịch thức, ngủ cho mỗi qu á trình truyền và nh ận dữ liệu của mỗi node.
MỤC LỤC PHẦN 1 MẠNG LAN KHÔNG DÂY (WLAN) Chương 1. Tổng quan về WLAN Giới thiệu chung……………………………………………………...….2 1 .1. Lợi ích và ứng dụng của WLAN………………...………………............2 1 .2. WLAN trên cơ sở radio……………………………………………...…..3 1 .3. 1.3.1 Dải ISM…………………………………………………………...……..3 1 .3.2 Điều biến dải h ẹp ………………………………………………...………4 1 .3.3 Điều b iến trải phổ ……………………………………………...………...4 1.3.3.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)…………..…………………...……..…5 1.3.3.2Trải phổ nhảy tần (FHSS)………………………………..…...……...….6 WLAN trên cơ sở hồng ngo ại…………………………………...………7 1.4 1 .4.1 Kỹ thu ật WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại khuếch tán………...………8 1 .4.2 Kỹ thu ật hồng ngoại điểm -điểm………………………………...……….8 1 .4.2.1Kết nối hồng ngo ại điểm-chùm …………..………………………......….8 1.4.2.2 Hệ thống LAN hồng n goại đ iểm -điểm………………………………….9 Ch ế độ hoạt động Ad -hoc và Infrastructure………………………..........9 1.5 1.5.1 Chế độ Infrastructure…………………………………………………….9 1.5.2 Chế độ Ad-hoc………………………………………………………….10 Cấu hình đơn ô, đ a ô trong WLAN……………………………...……..11 1.6 1.6.1 Đơn ô (single cell WLAN)...………………………………………...…11 1.6.2 Liên kết đơn ô……………………………………………………..........11 1.6.3 Đa ô ……………..…………………………………………………..….11 1.6.4 Chồng lấp các ô……………………………………………...…………12 Ưu nhược điểm của LAN không dây…………………..………………12 1.7 1.7.1 Ưu điểm ………………………………………………...………………12 1.7.2 Nhược đ iểm………………………………………………...…………..13 Chương 2. Các chuẩn và thiết bị của WLAN Chuẩn IEEE 802.11……………………………………………...…......13 2.1 2.1.1 Lớp vật lý của IEEE 802.11………………………………...………….14 2.1.1.1 Phân lớp hồng ngo ại…….…………………….……...………………14 2.1.1.2 Phân lớp FHSS……………………………….. …………..………….14
2.1.1.3 Phân lớp DSSS……………………………………………...………15 2.1.2 Lớp MAC của IEEE 802.11………………………………………...….15 2.1.2.1 Cơ ch ế CSMA……………..……...………………………………….16 2.1.2.2 Cơ ch ế RTS/CTS…….………………...…………………………….16 2.1.2.3 Khung dữ liệu MAC trong 802.11…………..………………..……...17 Giao thức m ạng không d ây……………………..……………………...17 2.2 Kiến trúc mạng không dây…………………………..…………………19 2.3 Ph ân bố địa ch ỉ IP…………………...………………………………….20 2.4 Thiết b ị cho WLAN……………………...……………………………..21 2.5 2.5.1 Wireless Adaptor……………………………...………………………..21 2.5.2 Anten……………………………………………...…………………....23 2.5.2.1 Đặc đ iểm chung của anten………………..………...………………..23 2.5.2.2 Một số loại anten………..……………………………..…………….24 2.5.3 Điểm truy cập (AP)………………………………………….………...25 PHẦN 2 MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY (WSN) Chương 1. Tổng quan về m ạng cảm nh ận không dây 1.1 Kh ái quát………………………………………………………….……27 Các thiết b ị mạng cảm biến không d ây………………………………...28 1.2 1 .2.1 Bộ xử lý nhúng năng lượng th ấp …………….…………………………29 1 .2.2 Bộ nhớ và lưu trữ…………………………….…....……………………29 1 .2.3 Máy thu phát bức xạ (radio)……………………………………………29 1 .2.4 Cảm biến………………….…………………………………………….29 1 .2.5 Hệ thống đ ịnh vị đ ịa lý…………………………………………………30 1 .2.6 Nguồn n ăng lư ợng………………………………………………...........30 Ứng dụng của mạng cảm nhận không d ây……………………………..31 1.3 1.3.1 Quan sát mô i trường sinh th ái……………………………………...…..31 1.3.2 Theo dõi trong qu ân sự và tìm kiếm mục tiêu………………………….31 1.3.3 Quan sát địa chấn và cấu trúc……………………………………..........31 1.3.4 Công nghiệp và thương mại mạng cảm nhận……………………..........32 Thách thức thiết kế chính …………………………...………………….32 1.4 1.4.1 Thời gian sống mở rộng………………………………..………………33 1.4.2 Đáp ứng……………………………………………………...…………33 1.4.3 Sức m ạnh……………………………………………………………….33 5
1.4.4 Bổ trợ…………………………………………………………………...33 1.4.5 Mở rộng ph ạm vi……………………………………………………….34 1.4.6 Tính không đồng nh ất………...………………………………………...34 1.4.7 Tự cấu hình………………………...…………………………………...34 1.4.8 Tự đ ánh giá và thích n ghi……………...……………………………….35 1.4.9 Thiết kế h ệ thống…………………………...…………………………..35 1.4.10 An ninh và bảo mật……………………………..………..…………...35 Chương 2. Triển khai mạng Tổng quan…………………………………………...………………….36 2.1 Triển khai có cấu trúc h ay triển khai ngẫu nhiên………...…………….37 2.2 Topo m ạng…………………………………………….……..…………38 2.3 2.3.1 Single hop d ạng sao………………………………….………..………..39 2.3.2 Multi hop d ạng lưới và ô ……………………………….………..……..39 2.3.3 Cụm (cluster) phân cấp 2 tầng………………..………….……………..39 Kết nối trong dạng sơ đồ ngẫu nhiên……………..……….……………39 2.4 2.4.1 Kết nối trong G(n,R)…………………………………..….…………….41 2.4.2 Tính đơn đ iệu của G(n,R)………………………………...…………….42 2.4.3 Kết nối trong G(n,K)………………………………………...…………42 2.4.4 Kết nối và truyền tin trong G(n,p,R)……………………………...……43 Kết nối sử dụng đ iều khiển năng lượng……………………………..….43 2.5 2.5.1 Năng lượng nhỏ nh ất để kết nối cấu trúc mạng…………..…...….…….44 2.5.2 Cài đặt năng lượng chung nhỏ nh ất…………………………..………...45 2.5.3 Làm giảm tối thiểu n ăng lư ợng cực đ ại…………………………..…….46 2.5.4 Topo đ iều khiển dạng hình nón………………………………………...46 2.5.5 Cấu trúc trình d uyệt m ở rộng theo hình cây cục bộ nhỏ nh ất...………...47 Chương 3. Đa truy cập và chế độ ngủ Tổng quan………………………………………………………………48 3.1 Giao thức MAC truyền thống…………………………………………..48 3.2 3.2.1 Aloha và CSMA………………………………………………………..48 3.2.2 Vấn đề node ẩn node hiện……………...………………………………49 3.2.3 Đa truy cập tránh xung đột MACA và đặc tả 802.11…………………..50 3.2.4 IEEE 802.15.4 MAC……………...……………………………………54 Năng lượng hiệu q uả trong giao thức MAC…..……………………….55 3.3 3.3.1 Quản lý năng lượng trong IEEE 802.11…………..…………………...55 3.3.2 Năng lượng cần cho đa truy cập và báo h iệu …………..………………55 6
3.3.3 Tối thiểu hoá chi trả năng lượng tiếp nhận rảnh rỗi………..……….….55 Kỹ thuật ngủ không đồng bộ …………………………………..….……56 3.4 3.4.1 Bức xạ thức d ậy thứ 2……………………………………………...…..56 3.4.2 Lắng nghe n ăng lượng thấp / lấy mẫu đầu khung truyền ……...………56 3.4.3 WiseMAC……………………………………………………………...57 3.4.4 Truyền /nhận- bắt đầu chu kỳ tiếp nh ận ………………………..………57 Kỹ thuật lập lịch n gủ …………………………………………………..58 3.5 3.5.1 Cảm ứng MAC (S-MAC)……………………………………………...58 3.5.2 MAC thời gian chờ (T-MAC)………………………………………….59 3.5.3 MAC hội tụ dữ liệu (D-MAC)…………………………………………60 3.5.4 Lập lịch n gủ có thời gian trễ h iệu qu ả………………………………….61 3.5.5 Lịch n gủ không đồng b ộ…………………………………………..........61 7
CHỮ VIẾT TẮT ACK :Acknowledge AP :Access Point BPP :Base Band Processor CAP :Contention Access Period CBTC :Cone-Based Topology Control CFP :Collision-Free Period COWPOW :Minimum Common Power Setting CSMA/CA :Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance CSMA/CD :Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection CTS :Clear To Send D-MAC :Data-gathering MAC DCF :Distributed Co ordination Function DESS :Delay Efficient Sleep Scheduling DIFS :Distributed Inter-Frame Spacing DSSS :Direct Sequence Spread Spectrum FHSS :Frequency Hopping Spread Spectrum FCC :Federal Communication Commission FRTS :Future Requ est To Send GPS :Global Positioning System GTS :Guaranteed Time Slot IEEE :Institute o f Electrical and Electronic Engineering LWIM :Low-Power Wireless Integrated Microsensor
LAN :Local Area Network LMST :Local Minimum Spanning Tree Construction LR-WPAN :Low-Rate Wireless Personal Area Networks MECN :Minimum Energy Connected Network Construction NAV :Network Allocation Vector NIC :Network Interface Card OSI :Open System Interconnection PAMAS :Power Aware Medium Access with Signaling PCMCIA :Personal Computer Memory Card International Association PCF :Point Coordination Function PHY :Ph ysical RICER :Receiver Initiated Cycle Reception RTS :Request To Send S-MAC :Sensor MAC T-MAC :Timeout MAC TICER :Transmitter Initiated Cycle Reception WEP :Wired Equivalent Privacy WINS :Wireless Integrated Networked Sensors WLAN :Wireless Local Area Network WSN :Wireless Sensor Network 9
MỞ ĐẦU Trong thời đại công nghệ thông tin bùng nổ theo từng ngày, nhu cầu sử dụng các hệ thống thông tin ngày càng cao. Do vậy đòi hỏi kỹ thuật thu thập, xử lý và truyền dữ liệu chính xác và nhanh chóng. Để đáp ứng đ ược nhu cầu đó, điều bắt buộc là ph ải phát triển một hệ thống truyền thông không dây kết hợp với sự đa dạng hoá các loại hình d ịch vụ. WLAN chính là một giải pháp chọn lựa bởi khả năng linh động trong kết nối của nó. Bên cạnh nhu cầu giao tiếp các thiết bị không dây, một nhu cầu ngày càng được đòi hỏi lớn hơn là nhu cầu về cảm biến, giám sát, theo dõi điều khiển thông minh. Đặc biệt trong các lĩnh vực quân sự (kích hoạt thiết bị, điều khiển tự động các thiết bị robot), y tế (định vị, theo d õi tình trạng sức khoẻ bệnh nhân và báo động khẩn cấp tự động), môi trường (giám sát lũ lụt, thiên tai…) và m ột vài lĩnh vực về đời sống khác (nhà thông minh, điều khiển giao thông tự động tránh ùn tắc…). Để giải quyết nhu cầu này, người ta phát triển hệ thống mạng cảm nhận không dây (WSN). WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, h ay giữa các thiết bị thông minh với con người hoặc các h ệ thống viễn thông khác. Cùng với những ưu điểm mà WSN mang lại, còn những mặt hạn chế khả năng hoạt động của mạng. Đó chính là: m ạng WSN có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các node b ằng sóng vô tuyến trong đó các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, rẻ tiền, có số lượng lớn và phân bố khá rộng. Lưu lư ợng dữ liệu lưu thông trong WSN là thấp và không liên tục, thông thường thời gian 1 node mạng ở trạng thái nghỉ lớn hơn trạng thái hoạt động rất nhiều, do vậy cần có giải pháp tiết kiệm năng lượng tối đa. Không những vậy, các node mạng của WSN đôi khi còn ph ải hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, được bố trí ngẫu nhiên nên có th ể di chuyển làm thay đổi cấu h ình mạng. Vì vậy đòi hỏi các node mạng còn có kh ả năng tự động cấu hình và thích nghi. Cuối cùng là những khó khăn về vấn đề bảo mật và an ninh bởi khả năng hoạt động tự động của các node mạng. Khoá luận n ày, bên cạnh việc n êu lên đặc điểm cấu h ình và hoạt động của WLAN, tập trung chính vào đ ặc điểm cấu h ình và thủ tục đ iều khiển th âm nh ập môi trường của mạng WSN. Với kiến thức còn h ạn hẹp, th ời gian nghiên cứu không d ài và tài liệu tham khảo có chưa nhiều, do vậy khoá luận không tránh khỏi nh ững sai sót. Vậy kính mong các thầy cùng các bạn sinh viên quan tâm chia sẻ đóng góp ý kiến đ ể khoá luận được hoàn thiện. Em xin chân thành cám ơn! 1
PHẦN 1 MẠNG LAN KHÔNG DÂY (WIRELESS LAN HAY WLAN) Chương 1. TỔNG QUAN VỀ WLAN 1 .1 . Giới thiệu chung Mạng LAN không dây về cơ bản giống với mạng LAN có dây. Tuy nhiên, trong khi mạng LAN có dây có lưu lượng mạng của các kênh thông qua dây cáp đồng trục hoặc cáp quang thì WLAN sử dụng dải tần số radio để gửi lưu lượng truyền thông trong không gian. Mạng WLAN cũng có th ể sử dụng tia hồng ngoại nhưng với những giới hạn khoảng cách ngắn. Mạng LAN không dây có thể dùng cho máy tính xách tay hoặc máy để bàn, hoặc PDA để truy cập nội hạt mà không phải kết nối bằng dây. Do vậy, WLAN thường được cài đặt trong những vùng khó lắp đặt hoặc những nơi có nhiều người sử dụng máy tính xách tay hay PDA di động. Mỗi điểm truy cập có một máy phát và một máy thu, một anten và một bộ phận hoạt động như Bridge (cầu). Một điểm truy cập có thể phục vụ một số người sử dụng, nhưng khi có nhiều người cùng kết nối, liên kết trở nên chậm. Ngư ời dùng có “bộ tiếp hợp không dây” b ên trong máy tính có thể truy cập bất cứ ở đâu trong phạm vi hoạt động kể từ điểm truy cập, vì tín hiệu radio không dây có thể xuyên qua hầu hết tường hay sàn nhà. Ngoài khoảng cách ra, tốc độ truyền dữ liệu còn phụ thuộc cả vào các vật cản trên đường đi của tín hiệu. Độ rộng tần số trong chuẩn 802.11 qui định ở tốc độ cao truyền gần hơn. Nếu dùng mô hình Ad hoc, một số trạm làm việc bị che khuất so với các trạm khác sẽ mất kho ảng 40% hiệu suất mạng. Nếu dùng mô hình điểm giao dịch thì ch ỉ cần thấy nhau giữa điểm giao dịch và từng trạm làm việc, tránh đư ợc vấn đề trên. 1 .2 . Tiện ích và ứng dụng của WLAN Với WLAN, người sử dụng có thể truy cập những thông tin dùng chung và người quản trị mạng có thể thiết lập hoặc mở rộng mạng m à không phải lắp đặt thêm thiết bị hoặc di chuyển đ ường dây. Hệ thống WLAN di động cung cấp cho người dùng truy 2
cập thông tin với thời gian thực ở bất cứ nơi đâu trong ph ạm vi hoạt động. Sự di động hỗ trợ một cách hiệu quả các dịch vụ mà mạng có dây không thể làm được. Việc cài đặt và thiết lập một hệ thống WLAN không cần đến các đ ường cáp, đầu tư ban đầu cho phần cứng WLAN có thể cao h ơn của LAN, nhưng chi phí cho cài đặt và thời gian tồn tại có thể thấp hơn một cách đáng kể. WLAN có 2 ứng dụng chủ yếu: Kết nối giữa các toà nhà - Kết nối mạng không dây và có dây (wireless – wire) - Tất cả WLAN hoạt động trên dải tần số không đăng ký ở gần tốc độ mạng Ethernet (100Mbps) sử dụng giao thức sóng mạng radio hoặc hồng ngoại. Ph ần lớn các thiết bị n ày đều có thể truyền thông tin trên 1000 feet giữa các máy tính trên môi trường hoạt động và chi phí sử dụng trong phạm vi từ 150$ - 800$. 1 .3 . WLAN trên cơ sở Radio Sự thuận lợi của sóng radio trong kết nối là chúng truyền qua tường và các vật cản khác m à suy giảm yếu. Thậm chí, qua nhiều bức tường tách rời người sử dụng và server hoặc cầu không dây, mạng vẫn có thể duy trì kết nối. Tuy nhiên, khi có nhiều thiết bị như trong y học, công nghiệp cùng hoạt động với một tần số radio theo WLAN sẽ gây ra tạp nhiễu. Vì vậy, người ta đ ã đưa ra lu ật và phương pháp để giải quyết vấn đề này. Dải ISM - WLAN d ải hẹp - WLAN d ải rộng - 1 .3.1 . Dải ISM FCC (Federal Communications Commission) cho phép các sản phẩm mạng không dây ho ạt động trong dải công nghiệp, khoa học và y học (Industrial, Scientific, Medical – ISM). FCC cho phép người sử dụng thực hiện các sản phẩm thoả mãn những yêu cầu, ví dụ hoạt động với máy phát 1W công suất đầu ra. Điều này càng có lợi khi di chuyển thường xuyên, vì khi đó có thể tránh được giấy tờ phức tạp vì đ ăng ký lại sản phẩm ở vị trí mới. Ngoài ra, còn nhiều dải tần số cao hơn, hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao h ơn. 3
Dải tần số ISM 2.4 GHz là dải không đăng ký có hiệu lực ở mọi nơi. Nhưng các nhà sản xuất phát triển các sản phẩm trong dải 902 MHz vì cho rằng dải này tiết kiệm hơn. 1 .3.2 . Điều biến dải hẹp Những hệ thống radio như TV sóng radio FM và AM sử dụng điều biến dải hẹp. Nh ững hệ thống này tập trung tất cả các công suất phát sóng trong một dải hẹp tần số, tạo ra hiệu quả sử dụng phổ radio. Khi hệ thống khác sử dụng cùng tần số, sẽ gây ra rất nhiều nhiễu làm h ỏng nhiều tín hiệu. Để tránh nhiễu, FCC yêu cầu ngư ời sử dụng hệ thống dải hẹp đạt được toạ độ hoạt động chính xác của sóng radio. Những sản phẩm dải hẹp có nhiều ưu điểm vì ho ạt động không có nhiễu. Nếu nhiễu xảy ra, FCC sẽ giải quyết vấn đề đó. Điều này làm cho điều chế dải hẹp tốt với những kết nối kéo d ài vượt kích thước địa lý của vùng trung tâm. 1 .3.3 . Điều biến trải phổ Điều biến trải phổ có rất nhiều tính năng, quan trọng nhất là: Chống lại nhiễu vô tình hay cố ý, đây là một tính năng quan trọng cho thông - tin ở vùng bị tắc nghẽn như ở các thành phố. Có kh ả năng loại trừ hay giảm bớt ảnh hư ởng của truyền sóng nhiều tia gây - trở ngại rất lớn trong thông tin đô thị. Có kh ả năng dùng chung ba lĩnh vực: công nghiệp, khoa học và y h ọc (dải - ISM) với công suất đến 1W ở các băng tần sau: 902-928 MHz, 2.4-2.4835 GHz và 5.725 -5.85 GHz (theo tiêu chuẩn FCC). Nh ờ sử dụng các mã trải phổ giả ngẫu nhiên nên khó b ắt trộm tín hiệu. - Ở các hệ thống thông tin thông thường, độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này đư ợc thiết kế càng tốn ít độ rộng băng tần càng tốt. Ở các hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi được phát. Khi có một ngư ời sử dụng băng tần SS (Spread Spectrum) sẽ không hiệu quả, tuy nhiên ở môi trư ờng nhiều người sử dụng, họ có thể dùng chung một băng tần SS và hệ thống trở nên có hiệu quả m à vẫn duy trì đ ược các ưu điểm của trải phổ. Trải phổ là gì? Điều chế trải phổ là trải công suất tín hiệu trên một dải rộng tần số. Điều này trái với yêu cầu duy trì thông tần số, nhưng quá trình trải tạo nhiều tín hiệu dữ liệu bị ảnh hưởng của tạp nhiễu điện so với kỹ thuật điều chế radio thường. Sự 4
truyền và tạp nhiễu điện khác dải thông hẹp, sẽ chỉ nhiễu với phần nhỏ của tín hiệu trải phổ, kết quả là ít nhiễu hơn và ít lỗi hơn khi thu tín hiệu dải điều chế. Sự điều biến trải phổ sử dụng một trong hai phương pháp đ ể trải tín hiệu trên vùng rộng: Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) và trải phổ nhảy tần (FHSS). 1 .3.3.1 . Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) Trải phổ chuỗi trực tiếp kết hợp tín hiệu dữ liệu ở trạm gửi đi với dữ liệu có tốc độ bit tuần tự cao h ơn, có liên quan tới mã chip (cũng được xem là h ệ số xử lý processing gain). Tín hiệu dữ liệu được chồng lên sóng m ạng. Trong thời gian này, một sự lan truyền hoặc một mã chip đ ược sử dụng để tạo ra các bit dư thừa được truyền. Do đó tín hiệu xuất hiện ở dưới công suất dải băng nhiễu tới máy thu không định hư ớng. Mã chip được áp dụng tới từng bit của dữ liệu. Một trong những lợi thế của việc sử dụng mã lan truyền là một hoặc cao hơn một bit trong chip bị lỗi trong thời gian truyền, kỹ thuật này được áp dụng cho sóng radio để khôi phục dữ liệu gốc m à không cần sự truyền lại. Tỷ lệ d ữ liệu trên bề rộng của m ã lan truyền được gọi là độ tăng ích xử lý. Hệ số xử lý cao tăng tính chống nhiễu của tín hiệu. Hệ số xử lý nhỏ nhất theo FCC là 10, và hầu hết các sản phẩm hoạt động trên 20. Với DSSS, luồng dữ liệu gốc được nhân lên bởi việc trải “mã chip”. Quá trình này b ị phá vỡ mỗi bit dữ liệu trong nhiễu “dãy bit” hoặc chip được đại diện là 0 ho ặc 1 trong một mẫu thiết lập và truyền các chip này trên dải tần số rộng hơn so với dải thông thường của luồng dữ liệu. Khi đó máy thu “ có cùng khoá m ã chip” sẽ thu được dải truyền của chip. Quá trình ngược lại thông qua việc “ giải mã” và tập hợp lại luồng dữ liệu gốc. Thay cho việc sử dụng tín hiệu riêng lẻ của thời gian bất kỳ qui định cho quá trình truyền ( giống như m ột quá trình truyền thông radio thông thường), tín hiệu hẹp mà luồng dữ liệu sẽ “nhảy qua” (giống FHSS). Luồng dữ liệu trong hệ thống DSSS được gửi trong phạm vi rộng trong dải. Khi trình tự chip lớn hơn sẽ có dải truyền rộng hơn trên tín hiệu gốc đư ợc trải ra. Bảo mật Quá trình trải rộng tín hiệu trên dải truyền trực tiếp có lợi cho vấn đề bảo mật. Việc ứng dụng của m ã chip không ch ỉ trải luồng bit gốc, mà còn tạo nên dãy tuần tự mã hoá. Điều n ày đảm bảo độ an toàn lớn hơn. “Ngư ời xâm phạm” trước tiên ph ải thiết lập phạm vi tần số được sử dụng cho quá trình truyền, và sau đó thiết lập mã chip được sử dụng để trải dữ liệu để “giải mã” luồng dữ liệu gốc. Với DSSS, biên độ phát là nhỏ để trong thực tế nó được xem giống như tạp nhiễu trong phổ radio. 5
Ứng dụng của m ã chip tạo nên tín hiệu có độ rộng khoảng chừng 11MHz. Việc sử dụng dải rộng trong kỹ thuật trải phổ cung cấp phạm vi miễn dịch với nhiễu. Các nguồn nhiễu sẽ chỉ gây nhiễu một phần nhỏ của tín hiệu. Nếu điều đó xảy ra, tín hiệu gốc có thể được thu lại nhờ hệ thống m ã hoá. S ự thay đổi tỷ lệ Hệ thống DSSS sử dụng cực đại là 11 kênh. Trong đó có 3 kênh không chồng lấp lên nhau: 1, 6, 11. Sự liên quan này có nghĩa là sự thực hiện có thể chỉ có 3 kênh. Các Acess Point chồng lấp trong vùng bao phủ qui đinh. 1 .3.3.2 Trải phổ nhảy tần (FHSS) FHSS tương tự sự truyền radio FM, đ ược mang bởi dải hẹp m à có th ể thay đổi tần số. Tiêu chu ẩn 802.11 cung cấp 22 mẫu nhảy và dịch tần số trong dải 2.4 GHz ISM. Mỗi kênh là 1 MHz và tín hiệu phải dịch tần số hoặc nhảy ở tốc độ nhảy cố định. FH là quá trình bằng cách phát thu sóng radio trên một tần số với chu kỳ ngắn của thời gian (được gọi là thời gian tồn tại) và khi đó sẽ thay đổi hoặc nhảy đến tần số khác. K ỹ thuật FHSS tạo ra trong dải ISM là 78 kênh độc lập. Mỗi một phần mười của giây, tín hiệu lại truyền từ một tần số này sang một tần số khác. Sự lựa chọn các kênh dựa trên cơ sở thuật toán bước nhảy giả ngẫu nhiên. FHSS làm việc giống như tên ngụ ý của nó. Nó mang tín hiệu dữ liệu để điều chế với tín hiệu sóng mang mà nhảy từ tần số này sang tần số khác giống như một h àm của thời gian trên một dải tần số rộng. Ví dụ như nhảy qua tần số sóng mang trên d ải 2.4 GHz giữa 2.4 GHz và 2.483 GHz. Mã nhảy quyết định tần số radio sẽ truyền theo thứ tự. Để thu được tín hiệu một cách chính xác, máy thu phải đặt cùng một mã nhảy và “nghe” tín hiệu đến thời gian thích hợp và tần số chính xác. Qui tắc FCC yêu cầu các nhà sản xuất sử dụng tần số 75 hoặc hơn cho mỗi kênh truyền với thời gian dừng đều đặn lớn nhất (thời gian ở từng tần số riêng) là 40ms. Nếu sóng radio bắt gặp nhiễu trên tần số n ào đó, nó sẽ truyền lại tín hiệu ở bư ớc nhảy tiếp theo trên một tần số khác. Kỹ thuật nhảy tần giảm bớt nhiễu bởi vì sự truyền từ hệ thống dải hẹp sẽ làm ảnh hưởng tới tín hiệu trải phổ khi nó sử dụng tần số của tín hiệu dải hẹp. Do đó, toàn bộ nhiễu sẽ thấp, dẫn tới có ít hoặc không có bit lỗi. Sự hoạt động của sóng radio có thể sử dụng trong cùng d ải tần số và không bị nhiễu, chúng sử dụng từng mẫu nhảy khác nhau. Trong khi một sóng radio đang truyền ở cùng một thời gian được xem nh ư một vùng quan sát trực giao. Một số nhà cung cấp cho phép người dùng lựa chọn kênh (mã nhảy riêng biệt) để sóng radio hoạt động trên 6
đó, tất cả người sử dụng trong cùng một mạng cục bộ phải sử dụng cùng mã. Điều này đem đ ến khả năng cho Wlan hoạt động lẫn nhau trong cùng một dải tần số mà không nhiễu, miễn là gán chúng vào miền quan sát trực giao với mã lan truyền. Yêu cầu FCC cho tần số truyền khác nhau cho phép sóng radio nhảy tần số để có kênh không nhiễu. Giải pháp FH giảm độ nhạy với nhiễu từ các bộ phát radio khác và nguồn tạp nhiễu trong dải 2.4 GHz, bởi vì tần số phát là dịch chuyển cố định từ dải 1 MHz đến tần số tiếp theo. Nhiễu chỉ được xem như một phần nhỏ trong toàn bộ thông lượng trong một môi trư ờng có nhiều nhiễu. Bảo mật Giải pháp có độ an toàn cao, và là giải pháp tốt cho các ứng dụng trong quân đội và qui định bắt buộc. Sự thay đổi tự nhiên cố định của những hệ thống này làm cho rất khó để ngăn chặn hoặc tắc nghẽn. Để ngăn chặn tín hiệu, người xâm nhập vào ph ải biết đư ợc cả quá trình truyền tần số hiện hành và mẫu nhảy để bức chế tần số tiếp theo mà hệ thống sẽ nhảy qua. Thông tin giống nhau phải được nhận biết bởi một người nào đó bị tắc nghẽn khi truyền, trừ khi tắc nghẽn trong toàn bộ dải 2.4 GHz. 1 .4 . WLAN trên cơ sở ánh sáng hồng ngoại Ánh sáng hồng ngoại là một trong những cách thức sử dụng sóng radio cho sự liên kết WLAN. Bư ớc sóng của ánh sáng hồng ngoại trong dải từ 0.75 đến 1.000 µm, là d ải dài hơn ( tần số thấp hơn) quang phổ m àu nhưng ngắn hơn ( tần số cao hơn) sóng radio. Dưới mọi trạng thái của ánh sáng, ánh sáng hồng ngoại không nh ìn thấy được bằng mắt thường. Sản phẩm WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại hoạt động quanh bước sóng 820nm vì không trung xuất hiện tắt dần ít nhất tại điểm ở trong phổ hồng ngoại. So với sóng radio, ánh sáng hồng ngoại cho sự an toàn và tín hiệu mức độ cao hơn. Nhưng LAN này đảm bảo vì ánh sáng hồng ngoại không truyền qua các vật chắn sáng như tường, bảo vệ tín hiệu dữ liệu bao gồm ở trong phòng ho ặc toà nhà. Hơn nữa nguồn tạp nhiễu thông thường như lò vi sóng và máy phát radio sẽ không nhiễu với tín hiệu ánh sáng hồng ngoại. Về mặt hiệu suất ánh sáng hồng ngoại không thích hợp cho các ứng dụng di động bằng việc sử dụng sóng radio bởi vì mức độ bao phủ của nó có giới hạn. WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại bao gồm 2 thành ph ần chính là card điều hợp hoặc khối điều hợp và bộ chuyển đổi. Card điều hợp cắm vào PC hoặc máy in thông qua khe ISA hoặc PCMCIA ( hoặc kết nối với cổng song song). Bộ chuyển đổi, giống 7
như anten với WLAN trên cơ sở radio, gắn liền với các phần của tường hoặc phòng làm việc. Card điều hợp điều khiển các giao thức cần cho sự hoạt động trong môi trường trung gian, và bộ chuyển đổi phát thu tín hiệu ánh sáng hồng ngoại. Có 2 lo ại WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại: Khuếch tán - Điểm điểm - 1 .4.1 . Kỹ thuật WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại khuếch tán Sử dụng thiết bị hồng ngoại khuếch tán cho điều khiển TV từ xa cho phép bạn điều khiển TV từ một khoảng cách mà không sử dụng dây (remote control). Khi bạn ấn nút từ xa, tương ứng với mã điều biến tín hiệu ánh sáng hồng ngoại được truyền tới TV. TV thu mã và thực hiện chức năng chuyển đổi thích hợp. Điều n ày khá đơn giản nhưng WLAN trên cơ sở hồng ngoại không phức tạp hơn. Sự khác nhau chủ yếu là vì WLAN sử dụng ánh sáng hồng ngoại ở mức nguồn cao hơn không đáng kể và sử dụng giao thức hệ thống truyền thông để truyền tải dữ liệu. Khi sử dụng ánh sáng hồng ngoại trong Wlan, độ cao tối đa có thể là điểm phản xạ. Kỹ thuật n ày sử dụng giao thức chiều sóng mang để phân chia truy cập từ độ cao tối đa. Wlan dùng ánh sáng hồng ngoại khu ếch tán làm việc cũng tương đương như trước, vì vậy sẽ hoạt động nhanh. Tốc độ dữ liệu tiêu biểu là 1-4 Mbps người bình thường có thể gửi sử dụng tia sáng và mã Morse. Giá cho những loại card không giây trong ph ạm vi từ 200$ -500$ mỗi cái. Các trạm ánh sáng hồng ngoại khuếch tán bị giới hạn trong các khoảng cách, điển h ình 30-50 feet ở mức thấp h ơn độ cao tối đa, phạm vi nhỏ bé giữa các trạm. Độ cao tối đa là 10 feet sẽ giới hạn quanh phạm vi 40 feet. Để mở rộng phạm vi hoạt động, có thể sử dụng điểm truy cập hồng ngoại để kết nối giữa các ô qua đường dây chính. 1 .4.2 . Kỹ thuật hồng ngoại điểm - đ iểm Một số sản phẩm hồng ngoại hoạt động dạng điểm -điểm là các thiết bị trực tiếp duy trì kết nối với các thiết bị khác. 2 sản phẩm rất khác nhau trong loại này là các thiết bị “điểm và chùm” chuyển đổi trực tiếp các tệp giữa các máy tính với các thiết bị ngoại vi và h ệ thống với ánh sáng hồng ngoại điểm - điểm. 1 .4.2.1 Kết nối hồng ngoại điểm và chùm 8
Kết nối hồng ngoại “điểm và chùm” thực chất không phải là WLAN, nhưng chúng cung cấp kết nối nối tiếp không dây giữa máy tính và thiết bị ngoại vi bằng cách thay th ế các cáp riêng lẻ bằng chùm ánh sáng. K ỹ thuật này làm cho việc chuyển đổi các tệp được dễ dàng giữa các máy tính xách tay và trạm làm việc trên bàn. 1 .4.2.2 Hệ thống Lan hồng ngoại điểm - điểm. InfraLAN bao gồm đúng một cặp chuyển đổi, một quá trình truyền và một quá trình nhận. InfraLAN thay thế cho mạng Token Ring với ánh sáng hồng ngoại để có thể đạt đến khoảng cách 75 feet. Những thuận lợi của việc sử dụng InfraLAN là hiệu suất cao và sự an toàn. Bởi vì chùm tia hồng ngoại hội tụ, hệ thống có thể làm phù h ợp yêu cầu thực thi. Tín hiệu điện không bị nhiễu với tần số cao của ánh sáng hồng ngoại. Bất lợi của phương pháp này là nó không phù h ợp với khả năng di động, nó chỉ thích h ợp với môi trường một hội nghị. 1 .5 . Chế độ hoạt động Ad hoc và Infrastructure IEEE 802.11 b xác định có 2 bộ phận chính của thiết bị, trạm không dây, thường là PC hay máy tính xách tay với bộ tiếp hợp giao diện mạng không dây (NIC) và một điểm truy cập (AP), hoạt động như một cầu nối giữa các trạm không dây và hệ thống phân tán (DS) ho ặc các mạng có dây. Có 2 chế độ hoạt động trong IEEE 802.11b là ch ế độ Ad hoc và chế độ Infrastructure. 1 .5.1 . Chế độ Infrastructure Chế độ này bao gồm một AP được kết nối với hệ thống DS. BSS (Basic Service Set): AP cung cấp chức năng cầu nội hạt cho BSS. Tất cả - các trạm không dây truyền thông với AP và không có sự truyền thông trực tiếp dài hơn. Tất cả các khung đều được tiếp nhận giữa các trạm bởi AP. ESS (Extended Service Set): là hệ thống Infrastructure BSS, nơi mà AP - truyền thông giữa chúng để khả năng tải tiếp theo từ một BSS này tới một BSS khác làm cho các trạm không dây dễ d àng di chuyển hơn. Có th ể hình dung ESS là một dạng mở rộng của BSS, đ ược minh hoạ nh ư hình dưới đây. 9
Hình 1. Chế độ Infrastructure dạng BSS và ESS 1 .5.2 . Chế độ Ad hoc BSS độc lập (IBSS) hoặc ngang hàng (peer to peer): các trạm không dây - truyền thông trực tiếp với nhau. Mỗi trạm có thể không truyền thông với các trạm khác trong phạm vi giới hạn. Không có AP trong IBSS vì vậy tất cả các trạm đòi hỏi phải ở trong phạm vi của trạm khác và chúng truyền thông trực tiếp với nhau. Hình 2. Chế độ Ad-hoc 10
1.6 . Cấu hình đơn ô, đa ô trong WLAN 1 .6.1 . Đơn ô (single cell WLAN) Sử dụng với một phòng làm việc nhỏ hay nhà máy. WLAN đơn ô yêu cầu NIC không dây để liên kết với mạng, không cần thiết AP. Có thể dễ d àng tạo một mạng WLAN với 2 hoặc nhiều hơn bộ tiếp hợp PCMCIA trong phạm vi hoạt động, với chế độ Ad hoc cho người sử dụng. Vùng bao phủ bởi các trạm trong mạng ngang hàng được gọi là vùng d ịch vụ cơ bản (Basic Service Area). BSA bao phủ khoảng chừng 150feet tiêu biểu cho môi trường phòng làm việc, WLAN đơn ô sóng radio như BSA có th ể hỗ trợ 6-25 người sử dụng m à vẫn có thể truy cập mạng ở mức độ chấp nhận được. 1 .6.2 . Liên k ết đ ơn ô Các ô được kết nối với Lan thông qua cầu không dây (wireless bridging). Cầu - có thể được lắp đặt back to back với một điểm truy cập liên kết với hàng lo ạt mạng. Các ô được kết nối với một Ethernet LAN thông qua một điểm truy cập ( cầu - có dây). Điểm truy cập kết nối bộ khung của Ethernet Lan có dây thông qua cáp đơn. Chức năng của AP giống như cầu nối giữa Lan có dây và ô. Các trạm trong ô của các ô liên kết khác có thể truy cập đến tất cả các phương tiện của LAN có dây. 1 .6.3 . Đa ô Nếu việc thiết lập mạng yêu cầu phạm vi lớn hơn, có thể sử dụng hệ thống cầu nội hạt không dây (điểm truy cập) và mạng chính có dây tạo ra cấu hình đ a ô. Điều này cho phép người sử dụng không dây từ các ô khác nhau truyền thông với nhau, cũng cho phép người dùng không dây truy cập tới tài nguyên của mạng có dây. Như vậy cấu hình này có thể bao phủ với phạm vi lớn h ơn như các tầng của một toà nhà, khu công trường hay bệnh viện. Trong các môi trường này, máy tính xách tay với bộ tiếp hợp LAN không dây cũng có thể hoạt động trong vùng bao phủ để duy trì sự tồn tại một liên kết đến mạng xương sống. Tiêu biểu là mỗi điểm truy cập sử dụng một mã lan truyền hoặc một tần số khác nhau. Cấu hình WLAN lý tưởng phụ thuộc chủ yếu vào nhu cầu người sử dụng và đ ịa lý. Nếu có một nhóm tương đối nhỏ yêu cầu khả năng kết nối không dây với nhau hoặc 11